CN111420307A - 中子束流装置及中子照射装置 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提供了一种中子束流装置，中子束流装置用于对进入其中的中子束进行中子能谱调节，中子束的粒子包括快中子、超热中子、热中子、γ光子；中子束流装置包括：过滤部，用于过滤中子束中的快中子；调节部，用于调节中子束的中子能谱以获得超热中子束或热中子束；准直器，用于将调节后的中子束准直射出，其中，过滤部、调节部以及准直器在沿着中子束进入到中子束流装置到射出中子束流装置方向，在中子束流装置内依次设置。根据本发明实施例的中子束流装置，通过一条束流通道可提供两种中子束流：热中子或超热中子，即无需分别设置两条束流通道从而避免多个束流通道位置占用较大空间、以及增加建造成本。

Description

中子束流装置及中子照射装置

技术领域

本发明涉及中子照射治疗技术领域，具体涉及一种中子束流装置及中子照射装置。

背景技术

中子俘获疗法是指向肿瘤注入与癌细胞具有亲和力的含硼化合物等药物，采用具有一定能量的中子照射，使硼原子发生裂变从而使癌细胞死亡。用于照射治疗的中子束种类包括热中子束和超热中子束，分别用于照射体表浅层及体内深部肿瘤。

目前，用于满足不同照射需求的中子照射器需要设置不同的中子束流通道，例如设置两条束流通道分别提供热中子束和超热中子束，其存在如下缺点：设置多个束流通道增加了占用空间，不利于装置整体的小型化；建造成本高。基于此，有必要对存在上述问题的中子照射装置进行改进。

发明内容

本发明提供了一种中子束流装置及中子照射装置，解决相关技术中存在的需设置多个中子束流通道以提供多个中子束流的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种中子束流装置，所述中子束流装置用于对进入其中的中子束进行中子能谱调节，所述中子束的粒子包括快中子、超热中子、热中子、γ光子；所述中子束流装置包括：过滤部，用于过滤所述中子束中的快中子；调节部，用于调节所述中子束的中子能谱以获得超热中子束或热中子束；准直器，用于将调节后的中子束准直射出，其中，所述过滤部、所述调节部以及所述准直器在沿着所述中子束进入到所述中子束流装置到射出所述中子束流装置方向，在所述中子束流装置内依次设置。

可选地，所述调节部设置壳体，所述壳体设置成容纳液体慢化材料；所述液体慢化材料的厚度可调节。

可选地，所述液体慢化材料为水或重水。

可选地，所述中子束沿竖直方向进入并射出所述中子束流装置。

可选地，中子束流装置还包括：反射部，设置在所述过滤部和所述调节部周向外侧，用于使散射的中子反射回出射方向。

可选地，中子束流装置还包括：γ屏蔽部，设置在所述调节部和所述准直器之间，用于屏蔽γ光子污染。

可选地，所述准直器具有中空腔，所述中空腔为所述超热中子束或所述热中子束提供出射口；所述中空腔沿中子出射方向横截面逐渐减小。

可选地，所述准直器的外壁设置反射层和屏蔽层，分别用于对偏离出射方向的中子反射和屏蔽。

根据本发明的另一个方面，提供了一种中子照射装置，包括：中子源和中子束流装置，其中，所述中子源设置成提供中子束；所述中子束流装置设置成对进入其中的所述中子束进行中子能谱调节，并将调节后的中子束射出用于照射；所述中子束流装置为上述实施方式的中子束流装置。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种中子照射装置，包括：反应堆和中子束流装置，其中，所述反应堆设置成提供中子束；所述中子束流装置设置成对进入其中的所述中子束进行中子能谱调节，并将调节后的中子束射出用于照射；其中，所述中子束沿竖直方向进入并射出所述中子束流装置；所述调节后的中子束为超热中子束或热中子束。

可选地，所述反应堆为微型中子源反应堆；所述反应堆的堆芯设置在堆筒体内，所述中子束流装置临近所述堆筒体外侧底部设置。

通过本发明提供的中子束流装置及中子照射装置，解决相关技术中存在的一条中子束流通道仅能提供一种中子束流的问题，从而减少中子束流通道的设置数量，减少占用空间，降低建造成本。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为根据本发明的一个实施例的中子束流装置结构示意图；

图2为根据本发明的一个实施例的中子照射装置结构示意图。

需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均应当属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

参照图1，根据本发明实施例的中子束流装置20，中子束流装置20用于对进入其中的中子束进行中子能谱调节，中子束的粒子包括快中子、超热中子、热中子、γ光子；中子束流装置20包括：过滤部21，用于过滤中子束中的快中子；调节部22，用于调节中子束的中子能谱以获得超热中子束或热中子束；准直器23，用于将调节后的中子束准直射出，其中，过滤部21、调节部22以及准直器23在沿着中子束进入到中子束流装置20到射出中子束流装置20方向，在中子束流装置20内依次设置。

具体的，中子束流装置20用于提供中子束流通道，以获得热中子束或超热中子束，中子束例如用于医疗照射。为获得中子束，通常采用对应的中子源以发射中子束，该中子束包含不同能量段的中子以及一些杂质粒子，为便于所需能量的目标粒子从中子束流通道顺利通过，需要对其他粒子进行处理。

在沿中子束进入到射出束流通道的方向，中子束流装置20依次设置过滤部21、调节部22以及准直器23；其中，中子源发射的中子束首先经过过滤部21，过滤部21对中子束中的快中子(能量＞10keV)进行过滤，例如对快中子吸收或慢化；进一步的，中子束从过滤部21射出后进入调节部22，调节部22对中子束的中子能谱进行调节从而实现在中子束流装置出口处获得所需能量的中子束；进一步的，中子束从调节部22射出后进入准直器23，准直器23用于对射出的中子限束以获得平行出射的准直中子束。

根据本发明实施例的中子束流装置20，通过一条束流通道可提供两种中子束流：热中子或超热中子；即无需分别设置两条束流通道从而避免多个束流通道位置占用较大空间、以及增加建造成本，该中子束流装置20可同时满足提供热中子束或超热中子束，以满足不同照射需求。

对于无论采用何种粒子发生装置，只要将上述中子束流装置20与粒子发生装置比邻设置，使得中子束能够沿中子束流装置20提供的束流通道移动并射出；中子束流装置20只需要占据一条束流通道位置，便可提供两种中子束流，从而优化中子束流装置的使用性能。

进一步的，调节部22设置壳体，壳体设置成容纳液体慢化材料；液体慢化材料的厚度可调节。

具体的，到达调节部22的中子束中主要成分为超热中子和热中子，通过调节两种粒子的占比，以期望在中子束流装置20出口处获得超热中子束或热中子束。

调节部22设置成具有一定厚度，并且该厚度可调节，以提供中子能谱的连续调节。同时地，为满足工作人员在使用过程中随时调控调节部22的厚度，该调节部22采用液体慢化材料，通过改变液层厚度实现中子能谱连续调节。例如，调节部22设置壳体，壳体内容纳液体慢化材料，壳体上设置用于液体进出的通道，以补充/放出液体，改变液层厚度。

液体慢化材料用于对超热中子慢化，以提高热中子的占比。液体慢化材料例如具有较小的中子吸收截面，以提供高的中子利用率。液体慢化材料例如包括含氢化合物。

由此，调节部22用于使中子束流装置20获得超热中子束或热中子束，当期望获得热中子束时，增加液体慢化材料的厚度，从而增加其对超热中子的慢化，使得热中子占比提高。对应的，当期望获得超热中子束时，减弱调节部22的慢化作用，以提高超热中子占比。

进一步的，液体慢化材料为水或重水。

含氢化合物具有较大的中子散射截面，且单位体积具有较多的散射中心，对超热中子慢化效果好(超热中子经弹性散射慢化为热中子)；例如采用水、重水作为调节部22材料时，通过改变水或重水层的厚度，使束流出口获得超热中子束或热中子束。

进一步的，中子束沿竖直方向进入并射出中子束流装置20。

粒子发生装置与中子束流装置20比邻设置，根据实际所要获得的束流方向，两者例如沿水平方向或竖直方向设置。在本实施例中，粒子发生装置与中子束流装置20沿竖直方向设置，例如，中子束流装置20设置在粒子发生装置下方，中子束发出并进入中子束流装置20从而引出竖直向下的中子束流。

在一些实施例中，中子束流装置20设置在粒子发生装置水平侧边，用于射出沿水平方向的中子束流。

进一步的，为提高中子利用率，中子束流装置20还包括：反射部24，设置在过滤部21和调节部22周向外侧，用于使散射的中子反射回出射方向。

在一些实施例中，反射部24包围整个中子束流装置20设置，以减少损失的中子数量，提高出口中子密度。

进一步的，中子束流装置20还包括：γ屏蔽部25，设置在调节部22和准直器23之间，用于屏蔽γ光子污染。

除了中子束原本包含的一次γ射线，中子束在经过中子束流装置20时，例如慢化过程中产生的二次γ射线，均会对出口中子束流的纯度造成影响，采用γ屏蔽部25吸收一次及二次γ射线，可减少杂质污染。

进一步的，准直器23具有中空腔231，中空腔231为超热中子束或热中子束提供出射口；中空腔231沿中子出射方向横截面逐渐减小。

具体的，准直器23为中子束提供准直出口，中空腔231例如包括准直器入口和出口，靠近γ屏蔽部25的一端为准直器入口，该中空腔231为准直器入口直径大、沿出口方向直径减小，由此，可增加进入准直器的中子的数量，减少偏离出口方向的中子数量，从而提高出口中子密度。

进一步的，为提高出口中子密度，准直器23的外壁设置反射层232和屏蔽层233，分别用于对偏离出射方向的中子反射和屏蔽。

由此，中子束进入中子束流装置20，依次经过过滤部21、调节部22、反射部24、γ屏蔽部25以及准直器23后，从出口射出，获得超热中子束或热中子束。

中子束流装置20各部分组成的方位、形状、尺寸、材料等，根据实际需要设置。

过滤部21例如采用含Al、F、O等快中子共振吸收截面较大的材料，以对快中子进行吸收或慢化；调节部22采用中子吸收截面小的材料，实现对超热中子慢化；反射部24采用中子吸收截面小、散射截面大的材料，以将散射的中子反射回束流；γ屏蔽部25例如采用铅、铋等，以吸收γ射线；准直器23的外壁例如采用多层结构，反射层和屏蔽层的结合，用作吸收γ射线、减少散射中子，从而提高出口的中子密度。

参照图1，根据本发明实施例的中子照射装置100，包括：中子源10和中子束流装置20，其中，中子源10设置成提供中子束；中子束流装置20设置成对进入其中的中子束进行中子能谱调节，并将调节后的中子束射出用于照射；中子束流装置20为上述实施方式的中子束流装置。

具体的，中子照射装置100例如用于硼中子俘获治疗，其包括提供初始中子束的中子源10以及，对初始中子束进行能谱调节后用于获得超热中子束或热中子束的中子束流装置20。

中子源10例如为核反应堆或加速器，以提供一定能量的中子束。中子源10和中子束流装置20比邻设置，例如当两者沿水平方向设置时，可从中子束流装置20获得水平引出的中子束流；当两者沿竖直方向设置时，可从中子束流装置20获得竖直引出的中子束流，从而满足不同照射位置的需求。

参照图2，根据本发明另一实施例的中子照射装置200，包括：反应堆50和中子束流装置60，其中，反应堆50设置成提供中子束；中子束流装置60设置成对进入其中的中子束进行中子能谱调节，并将调节后的中子束射出用于照射；其中，中子束沿竖直方向进入并射出中子束流装置60；调节后的中子束为超热中子束或热中子束。

具体的，反应堆50发生核裂变反应产生中子束，该中子束的粒子种类包括快中子、超热中子、热中子、γ光子；中子束进入中子束流装置60，该中子束流装置60可过滤掉快中子以及γ光子，从而在出口获得超热中子束或热中子束；进一步的，反应堆50和中子束流装置60沿竖直方向设置，使得从反应堆50发出的中子束沿竖直方向进入中子束流装置60并沿竖直方向射出。

进一步的，中子束流装置60例如沿竖直方向依次设置过滤部61、调节部62和准直器63，过滤部61与反应堆50发出中子束的一端连接，使得中子束从此进入中子束流装置60，准直器63提供束流出口，使得经调节的中子束从出口射出。

进一步的，反应堆50为微型中子源反应堆；反应堆50的堆芯设置在堆筒体内，中子束流装置60临近堆筒体外侧底部设置。

具体的，反应堆50采用罐-池结构，反应堆堆芯设置在堆筒体内，堆筒体置于反应堆水池中。一般情况下，堆芯周围设置铍反射层，反射层包括上铍反射层、侧铍反射层和下铍反射层，当反应堆用作中子源时，可移除下铍反射层，使得堆芯产生的中子束从堆筒体下方发出，相应的，将中子束流装置60设置在堆筒体底部下方，从而使堆芯产生的中子束进入中子束流装置60。

采用微型中子源反应堆用作中子源，反应堆体积小、辐射水平低、运行方便，容易在医院或科研机构普及推广。

根据本发明实施例的中子照射装置，采用微堆作中子源，中子束流装置通过一条束流通道可提供两种中子束流：热中子或超热中子；即无需分别设置两条束流通道从而避免多个束流通道位置占用较大空间、以及增加建造成本，该中子束流装置可同时满足提供热中子束或超热中子束，以满足不同照射需求。

为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

参照图2，中子照射装置200包括：反应堆50和中子束流装置60，其中，中子束流装置60设置在反应堆50的堆筒体底部下方，反应堆50的堆芯51移除下铍反射层，堆芯51产生的中子束经过铝层52后从堆筒体53底部发出，然后进入中子束流装置60。

中子束流装置60沿中子束移动方向依次设置过滤部61、调节部62和准直器63，过滤部61将快中子过滤，使得中子束中主要成分为超热中子和热中子，然后中子束进入调节部62，调节部62可对超热中子进行慢化，从而改变超热中子的份额，最后，经调节的中子束由准直器63出口射出。

进一步的，为提高出口中子密度，过滤部61和调节部62外侧设置反射部64，用于将散射的中子反射回束流；调节部62和准直器63之间还设置γ屏蔽部65，用于降低γ光子污染。

进一步的，过滤部61例如采用

AlF₃(69％m/M)+Al(30％m/M)+LiF(1％m/M)中子慢化材料；反射部64例如采用铅；γ屏蔽部65例如采用铋。

调节部62例如设置壳体，壳体内可容纳液体慢化材料，壳体上设置有用于液体进出的通道。

准直器63具有中空腔631，其上端半径大于下端中子束出口半径；沿与中空腔631垂直方向，其外壁依次设置例如石墨层632、镉层633以及铅硼聚乙烯634，其中，石墨用于对中子反射，镉以及铅硼聚乙烯可对偏离出射方向的中子吸收，以减少这部分中子对外界的影响。

进一步的，中子束流装置60的外层采用不锈钢66，加强与外界环境隔离，减少粒子辐射对外界的影响。

在本实施例中，调节部62的液体慢化材料采用水或重水，通过改变水或重水层的厚度，使束流出口的中子能谱改变。例如采用MCNP程序计算束流出口的中子通量密度：当水层厚度为0cm时，束流出口处超热中子份额可占90％以上，使得超热中子束用于深部肿瘤的医疗照射；当增加水层厚度时，热中子份额逐步提高，水层厚度为5cm时，热中子份额超过50％，从而获得热中子束用于浅部肿瘤的医疗照射；类似的，当采用重水时，当重水层厚度为0cm时，可获得超热中子束，当重水层厚度达到10cm时，可获得热中子束。

可以理解的是，上述中子束流装置各组成的形状、材料、尺寸等可根据实际需求设置，并不限于此实施例。

对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种中子束流装置(20)，所述中子束流装置(20)用于对进入其中的中子束进行中子能谱调节，所述中子束的粒子包括快中子、超热中子、热中子、γ光子；

所述中子束流装置(20)包括：

过滤部(21)，用于过滤所述中子束中的快中子；

调节部(22)，用于调节所述中子束的中子能谱以获得超热中子束或热中子束；

准直器(23)，用于将调节后的中子束准直射出，其中，

所述过滤部(21)、所述调节部(22)以及所述准直器(23)在沿着所述中子束进入到所述中子束流装置(20)到射出所述中子束流装置(20)方向，在所述中子束流装置(20)内依次设置。

2.根据权利要求1所述的中子束流装置(20)，其中，

所述调节部(22)设置壳体，所述壳体设置成容纳液体慢化材料；

所述液体慢化材料的厚度可调节。

3.根据权利要求2所述的中子束流装置(20)，其中，

所述液体慢化材料为水或重水。

4.根据权利要求3所述的中子束流装置(20)，其中，

所述中子束沿竖直方向进入并射出所述中子束流装置(20)。

5.根据权利要求1所述的中子束流装置(20)，其中，还包括：

反射部(24)，设置在所述过滤部(21)和所述调节部(22)周向外侧，用于使散射的中子反射回出射方向。

6.根据权利要求1所述的中子束流装置(20)，其中，还包括：

γ屏蔽部(25)，设置在所述调节部(22)和所述准直器(23)之间，用于屏蔽γ光子污染。

7.根据权利要求1所述的中子束流装置(20)，其中，

所述准直器(23)具有中空腔(231)，所述中空腔(231)为所述超热中子束或所述热中子束提供出射口；

所述中空腔(231)沿中子出射方向横截面逐渐减小。

8.根据权利要求7所述的中子束流装置(20)，其中，

所述准直器(23)的外壁设置反射层(232)和屏蔽层(233)，分别用于对偏离出射方向的中子反射和屏蔽。

9.一种中子照射装置(100)，包括：

中子源(10)和中子束流装置(20)，其中，

所述中子源(10)设置成提供中子束；

所述中子束流装置(20)设置成对进入其中的所述中子束进行中子能谱调节，并将调节后的中子束射出用于照射；

所述中子束流装置(20)为权利要求1-8任一项所述的中子束流装置。

10.一种中子照射装置(200)，包括：

反应堆(50)和中子束流装置(60)，其中，

所述反应堆(50)设置成提供中子束；

所述中子束流装置(60)设置成对进入其中的所述中子束进行中子能谱调节，并将调节后的中子束射出用于照射；其中，

所述中子束沿竖直方向进入并射出所述中子束流装置(60)；

所述调节后的中子束为超热中子束或热中子束。

11.根据权利要求10所述的中子照射装置(200)，其中，

所述反应堆(50)为微型中子源反应堆；

所述反应堆(50)的堆芯设置在堆筒体内，所述中子束流装置(60)临近所述堆筒体外侧底部设置。

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